超高密度電法在賈汪煤礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用

張國堂 胡德省 湯志剛

(江蘇省第二地質(zhì)工程勘察院)

超高密度電法在賈汪煤礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用

張國堂 胡德省 湯志剛

(江蘇省第二地質(zhì)工程勘察院)

結(jié)合工程實例介紹了超高密度電法在賈汪煤礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用成果，總結(jié)了數(shù)據(jù)采集及反演過程中的注意事項，并將探測成果與鉆孔資料進(jìn)行對比分析，為提高煤礦采空區(qū)的勘察精度提供參考。

超高密度電法 煤礦采空區(qū) 異常區(qū)

徐州市賈汪區(qū)曾是江蘇省重要的煤炭生產(chǎn)基地，開采歷史近130 a，地表形成了大范圍的沉陷區(qū)，隨著地下煤炭資源的枯竭與土地資源的日趨緊張，采空區(qū)場地的土地合理利用成為亟待解決的問題。目前采用的鉆探方法推測采空區(qū)的分布位置及開采情況時精度較差。超高密度電法具有高分辨率、高效等特點，能滿足采空區(qū)勘察的精度要求，為此將其應(yīng)用于對賈汪煤礦采空區(qū)進(jìn)行探測，為合理治理煤礦塌陷區(qū)提供依據(jù)。

1 采空區(qū)特征與電性特征

1.1 采空區(qū)特征

勘察深度范圍內(nèi)主要含1#、3#煤，賦存于下石盒子組中，展布形態(tài)與地層的構(gòu)造形態(tài)類似，平均開采厚度1.50 m，開采深度35 m。1#煤結(jié)構(gòu)簡單，下距3#煤約10 m。3#煤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含夾矸，夾矸厚度不穩(wěn)定，采空區(qū)開采深度45 m。1#、3#煤層傾向SE，傾角10°。

(1)1#煤。頂板巖性為深灰色頁巖或砂頁巖，泥質(zhì)膠結(jié)，片狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，層理明顯，局部為砂頁巖互層，平均厚4.8 m；底板為灰黑色砂頁巖，泥質(zhì)膠結(jié)，含砂量由上至下逐漸增多，上部塊狀結(jié)構(gòu)，下部為層狀結(jié)構(gòu)，平均厚4.6 m。

(2)3#煤。頂板為灰黃色，砂質(zhì)頁巖互層，局部為砂巖，成分以長石為主，層理含白云母碎片及炭質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，層理明顯，節(jié)理發(fā)育，厚6 m；底板為灰黑色砂頁巖，泥質(zhì)膠結(jié)，塊狀結(jié)構(gòu)，有滑面，平均厚2.0 m。

1.2 采空區(qū)含水特征

(1)松散巖類孔隙水。含水層厚3～7 m，主要由黏性土組成，黏性土透水性弱，賦水性差，含水量小，在雨季降水期間，上部土層中存在短暫的上層滯水?？紫端宦裆?～3 m，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，水位升降幅度約2 m/a，近3～5 a最高水位接近自然地面。地下水位以大氣降水的垂向補給及地表水的側(cè)向徑流補給為主，排泄方式以蒸發(fā)為主。

(2)碎屑巖類孔隙裂隙水。賦存于二疊系煤系地層中，富水性差，區(qū)內(nèi)碎屑巖類孔隙裂隙水位在煤礦開采期間主要受煤礦開采疏干排水的影響，水位變化大、無規(guī)律；隨著礦井關(guān)閉，地下水位逐漸恢復(fù)，目前水位埋深已穩(wěn)定于10 m左右。徑流方向受開采控制，總體為自四周向水源地徑流，排泄途徑主要為礦井疏干排水和人工開采。

1.3 采空區(qū)電性特征

采空區(qū)埋深35～45 m，開采時間為1951—1959年，屬淺埋老采空區(qū)?？辈旆秶鷥?nèi)地下水類型為松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水，水位埋藏淺，礦山關(guān)閉后地下水沿巷道、開采工作面等通道充填采空區(qū)，地下水達(dá)到水位動態(tài)穩(wěn)定后，采空區(qū)將處于飽水狀態(tài)，該范圍內(nèi)采空區(qū)為低阻異常區(qū)。

2 工作方法

2.1 基本原理

超高密度電法通過觀測和研究人工建立穩(wěn)定電場的分布規(guī)律，采用相關(guān)儀器設(shè)備觀測巖體巖性的變化規(guī)律，為解決水文、環(huán)境和工程地質(zhì)問題提供依據(jù)[1-2]。超高密度電法勘探反演系統(tǒng)采用全自動、自由組合的數(shù)據(jù)采集方式，使得在同樣電極數(shù)的情況下，采集的數(shù)據(jù)量為常規(guī)方法的40倍以上，同時，其多通道的工作模式能夠同時采集n-3組V/I數(shù)據(jù)(n為測線電極數(shù))[3]。在地球物理勘探中，可根據(jù)計算出的視電阻率值，通過正演計算和反演成圖，得到地下半空間環(huán)境的視電阻率反演示意圖，從而判斷可能存在的地下介質(zhì)異常。

2.2 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

采用澳大利亞FlashRES64測量系統(tǒng)進(jìn)行探測，該系統(tǒng)由多通道超高密度地面/井-地/井-井直流電法勘探系統(tǒng)組成，采用自由無限制的任何4極的組合方式采集數(shù)據(jù)。根據(jù)多次試驗，確定電極間距6 m，供電電壓90 V，采集時間2 s，裝置為全排列采集。數(shù)據(jù)預(yù)處理內(nèi)容：①計算視電阻率值；②建立電極坐標(biāo)系統(tǒng)；③數(shù)值模擬并確定反演參數(shù)；④數(shù)據(jù)檢查及濾波。

3 資料解譯

3.1 數(shù)據(jù)反演

數(shù)據(jù)處理方法分為正演和反演，反演結(jié)果可直接反映地下介質(zhì)間物理特性(電阻率)的差異。超高密度電阻率法數(shù)據(jù)反演步驟：①設(shè)定1個電阻率分布理論模型(與實際地下電阻率分布情況有所區(qū)別)；②采用理論模型進(jìn)行正演推算，得出理論電阻率值；③計算實測電阻率數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的差值；④按照一定的算法將各個差值歸算至剖分的網(wǎng)格中，以此校正設(shè)定的理論電阻率模型，得出1個新的理論電阻率分布模型；⑤采用新的理論模型進(jìn)行正演推算，重復(fù)上述步驟，連續(xù)迭代直到理論模型統(tǒng)計校正值足夠小為止。數(shù)據(jù)處理利用FlashRES64多通道超高密度直流電法勘探反演系統(tǒng)，經(jīng)反演之后生成“*.grd”格式數(shù)據(jù)文件，采用Surfer8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)成圖和圖形處理，得到剖面的電阻率斷面圖，進(jìn)行采空區(qū)解譯。

3.2 數(shù)據(jù)解譯

L1、L2測線的電阻率反演剖面見圖1。由圖1可知，L1測線0～120 m區(qū)段，深度為0～30 m的視電阻率為15～24 Ω·m，深度為30～80 m的視電阻率為24～30 Ω·m；L1測線120 m處視電阻率梯度變化較大，120～390 m區(qū)段，深度為0～60 m的視電阻率為4～26 Ω·m，為低阻異常值。L2測線0～110 m區(qū)段，深度0～30 m的視電阻率為8～34 Ω·m，深度為30～80 m的視電阻率為24～42 Ω·m；L2測線110 m處視電阻率梯度變化較大，110～330 m區(qū)段，深度為0～60 m的視電阻率為8～26 Ω·m，為低阻異常值。視電阻率梯度變化較大處，說明地下介質(zhì)巖石巖性發(fā)生變化，結(jié)合煤層采掘資料分析，該處為采空區(qū)的西邊界。縱向上視電阻率大體呈現(xiàn)淺、中部較低，下部較高的趨勢，據(jù)此圈出采空區(qū)的分布范圍。L1測線0～120 m區(qū)段和L2測線0～110 m區(qū)段，深度為0～30 m視電阻率值較低，主要由于淺部巖性為黏土或黏土巖，加之地下水的影響，表現(xiàn)出低電阻異常值。

圖1 超高密度電法視電阻率反演剖面

3.3 鉆探驗證

礦區(qū)鉆探結(jié)果見圖2、圖3。

由圖2可知，Z1孔36.3～37.7 m深度處掉鉆(0.4 m)，之后進(jìn)尺快，漏水，不返漿，采取率為5%，RQD值為0，推測為1#煤采空區(qū)；45.5～46.5 m處進(jìn)尺快，漏水，不返漿，采取率為5%，RQD值為0，推測為3#煤采空區(qū)。由圖3可知，Z2孔43.7～45.2 m深度處進(jìn)尺快，漏水，不返漿，采取率為10%，RQD值0，推測為1#煤采空區(qū)；55.0～57.2 m處進(jìn)尺快，漏水，不返漿，采取率為15%，RQD值為0，推測為3#煤采空區(qū)。

4 結(jié) 語

以徐州賈汪煤礦采空區(qū)為例，詳細(xì)介紹了超高密度電法的探測成果，鉆探驗證結(jié)果表明，該方法具有較高的探測精度。

圖2 Z1孔鉆孔柱狀圖

[1] 金 亮，曲 威，賈巨瑜.高密度電阻法在工程勘探中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012(2):38-39.

[2] 李學(xué)敏，方玉滿，李 爭，等.高密度電阻率法在滑坡體勘探中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012(11):37-38.

圖3 Z2孔鉆孔柱狀圖

[3] 宋洪偉,張翼龍，夏 凡.超高密度電法和激電法在河北某地找水實例分析[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2011(4)：60-62.

2015-03-04)

張國堂(1981—)，男，工程師，碩士，221004 江蘇省徐州市鼓樓區(qū)下淀路163號。